科学家将太赫兹波加速电子能量提升近一个量级

中国科学院院士、中国科学院上海光学精密机械研究所研究员李儒新团队基于上海光机所新一代超强超短脉冲激光综合实验装置，利用超强超短激光驱动太赫兹波产生毫焦耳级太赫兹表面波，并采用表面波进行电子加速，解决了高能量太赫兹波产生以及自由空间太赫兹波至波导能量耦合效率低等难题。

研究人员将太赫兹波的产生、传输及耦合集成到波导上，并在波导管中5毫米距离实现了最高1.1兆电子伏特的能量增益和210兆伏每米的平均加速梯度，较当前太赫兹波加速电子能量增益的世界纪录提升近一个量级，为全光学集成化电子加速器研究开辟了新途径。相关研究近日发表于《自然-光子学》。

利用太赫兹波驱动电子加速作为近10年新兴的加速技术，能够提供比传统射频加速更高的加速梯度，是实现小型化、低成本加速装置的可靠途径之一，有望将加速器的应用推广到包括小型实验室、医院等在内的更多应用场景。

当前发展的太赫兹电子加速基于自由空间的太赫兹源技术，太赫兹波产生后，经收集、传输、偏振转换，再聚焦至用于加速电子的波导结构。实验上，为了尽可能提高波导内部的太赫兹加速梯度，需要太赫兹源提供足够的能量以弥补光路中散射、反射以及模式转换的能量损耗。相比自由空间的太赫兹辐射，束缚于介质表面的光学表面波，如表面等离极化激元，为太赫兹的导引与模式转换提供了全新思路。

研究团队近期发现了太赫兹表面等离极化激元相干放大机制，能够实现高功率表面等离极化激元相干辐射源。围绕轴对称金属圆柱形波导上的太赫兹表面等离极化激元的索莫菲波属性等，研究团队进一步将此高功率的太赫兹表面等离极化激元直接与加速波导耦合，实现了85%的耦合效率，能有效将飞秒激光泵浦金属圆柱波导产生的毫焦耳级太赫兹能量与电子束作用，将当前国际上太赫兹波驱动的电子能量增益最好结果提升了近一个量级。

未来，团队将基于这一全新方案，进一步发展集成化的全光学电子加速技术，并拓展其在小型辐射源及材料检测等领域的交叉应用。（记者张双虎）